化工进展CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS
纳米颗粒分散技术的研究与发展宋晓岚!王海波!吴雪兰!曲!鹏!邱冠周 中南大学资源加工与生物工程学院无机材料系 长沙41008S
摘!要!分析了纳米颗粒团聚形成的原因!阐述了研究纳米颗粒分散的意义!着重介绍了物理分散和化学分散技术研究进展!指出纳米颗粒分散技术的发展方向是设计高效分散机械!以提高有效分散体积和能量利用率"合
成性能优异的超分散剂及研究不同的混合分散剂!以提高分散后的粒子稳定性!最终提高分散效果"加强纳米颗粒分散的基础理论研究及其与其他学科融合交叉!为纳米颗粒分散及分散剂的选择提供理论指导!并开发新的适合纳米材料制备的新工艺#
关键词!纳米颗粒!团聚!分散技术!研究与发展中图分类号!TBS8S文献标识码!A文章编号!1000661S Z005 01004706
ResearchanddevelopmentofdispersiontechniSongXiaolan WangHaibo WuXuelan @upeng @iuguanzhou DepartmentofInorganicMaterials SchoolofResourcesProcessingandBioengineering
CentralSouthUniversity Changsha41008S
Abstract!ThecausesofagglomerationinnanoparticleswereanalyZedandthesignificationsofdispersionofnanoparticleswereexpounded.Presentresearchstatusanddevelopmentontech-niCueofdispersionusingchemicalorphysicsmethodsarereviewed.ThemaindevelopmenttrendofdispersiontechniCuefornanoparticlesistodesigneffectivedispersemachines whichtoen-
hancethevolumeofdispersiononnanoparticlesandusingrateofenergy synthesissomeex-celleddispersantsandresearchondifferentmixdispersants whichtoenhancethestabilityofdis-persednanoparticlesandthefinallydisperseeffect makemorefurtherstudiesonbasictheoriesofdispersiononnanoparticlesandtheinter ectwithothersub ects ofwhichthepurposeistogivesomedirectiononthedispersionofnanoparticlesandtheselectofdifferentdispersants andexploitsomenewlytechniCuesfittingnanoparticlematerials.Keywords!nanoparticles agglomeration dispersedmethodsandtechniCue researchanddevel-opment
!!纳米颗粒指特征维度尺寸在1～100nm范围 介于块状物体与原子 分子之间的固体颗粒 因其体积效应和表面效应而在磁性 电性 催化性能 吸附性能 光吸收 热阻等方面呈现出特异的性能 从而受到人们的极大关注 1 但由于纳米颗粒具有极大的比表面积和较高的表面能 在制备和使用过程中极易发生粒子团聚 形成二次粒子 使粒径变大 从而大大影响纳米颗粒发挥优势 失去纳米颗粒所具备的功能 Z 因此如何改善纳米颗粒在液相介质中的分散和稳定性成为十分重要的研究课题 本文从纳米颗粒团聚体形成的原因出发 综述了纳米颗粒分散技术研究意义及其研究现状 并对其发展趋势作了进一步的展望 以期对纳米颗粒在各领域的应用有所助益
1!
纳米颗粒团聚形成原因
纳米颗粒的团聚可分为两种 软团聚和硬团聚 S 软团聚主要是由颗粒间的静电力和范德华力
收稿日期!Z0040718 修改稿日期!Z0040910 基金项目!湖南省自然科学基金项目资助 0SJJYS015 及国家自然科学基金项目资助 599Z541Z 第一作者简介!宋晓岚 1964 女 副教授 从事纳米颗粒化学合成及无机功能材料研究 电话07S18877Z0S Emailxlsong
＠hnu.net.cn
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!""#年第!$卷第%期所致 由于作用力较弱可以通过一些化学作用或施加机械能的方式来消除 硬团聚形成的原因除了静电力和范德华力之外 还存在化学键作用 因此硬团聚体不易破坏 需要采取一些特殊的方法进行控制 在制备纳米颗粒的过程中 如果未采用分散措施 颗粒团聚将很严重 不能达到纳米粉末的基本要求 实现不了纳米粉末的特殊功能 因此研究纳米颗粒的团聚控制对纳米粉末制备极为重要 引起纳米颗粒团聚的原因很多 归纳起来主要是由于纳米颗粒所具有的特殊的表面结构 在粒子间存在着有别于常规粒子 颗粒 间的作用能 纳米作用能 Fn 纳米作用能是纳米颗粒易团聚的内在因素 要得到分散性好 粒径小 粒径分布窄的纳米颗粒 必须削弱或减小纳米作用能 采取适当方法对纳米颗粒进行分散处理时 纳米颗粒表面产生溶剂化膜作用能 Fs 双电层静电作用能 Fr 聚合物吸附层的空间保护作用能 Fp 等 在一定体系里 纳米颗粒应是处于这几种作用能的平衡状态 当Fn"Fs+Fr+Fp时 纳米颗粒易团聚 当Fn#Fs+Fr+Fp时 纳米颗粒易分散[4] 另外 分子间力 静电作用 活性高的化学键 如氢键 通常也是引起纳米颗粒团聚的重要因素 在纳米粒子中小尺寸效应和表面效应表现得更为强烈[5] 由于纳米颗粒的量子隧道效应 电荷转移和界面原子的相互耦合 使纳米颗粒极易通过界面发生相互作用和固相反应而团聚 因其极高的表面能和较大的接触界面 使晶粒生长的速度加快 因而颗粒尺寸很难保持不变[6] 有些纳米粒子 如CaCOS 由于水解作用 表面呈较强的碱性 羟基性或配位水分子 它们可通过羟基和配位水分子缩合 生成硬团聚 显然 防止纳米颗粒团聚 获得分散性好的纳米粒子 是目前该领域亟待解决的问题之一[7] Z!纳米颗粒分散技术的研究进展颗粒分散是近年来发展起来的新兴边缘学科 是指粉体颗粒在液相介质中分离散开并在整个液相中均匀分布的过程 通常包括分为三个阶段=d液体润湿固体粒子 i通过外界作用力使较大的聚集体分散为较小的颗粒 ＠稳定分散粒子 保证粉体颗粒在液相中保持长期均匀分散 防止已分散的粒子重新聚集[8 9] 根据分散方法的不同 可分为物理分散和化学分散 2.1!物理分散物理分散方法主要有三种=机械搅拌分散 超声波分散和高能处理法分散[10] 机械搅拌分散是一种简单的物理分散 主要是借助外界剪切力或撞击力等机械能 使纳米粒子在
介质中充分分散 事实上 这是一个非常复杂的分散过程 是通过对分散体系施加机械力 而引起体系内物质的物理 化学性质变化以及伴随的一系列
化学反应来达到分散目的 这种特殊的现象称之为机械化学效应 机械搅拌分散的具体形式有研磨分散 胶体磨分散 球磨分散 高速搅拌等 在机械
搅拌下 纳米颗粒的特殊表面结构容易产生化学反应 形成有机化合物支链或保护层使纳米颗粒更易分散 高效分散机的研制也是目前的一个热点 例如郑州大学研制的一种新型多级多层环形梳状齿高剪切均质分散机 该设备均质分散效率高 能耗
低 质量轻 体积小 占地面积少 结构简单 采用模块化设计与制造 可用最少零部件组装成系列
产品 提高了零部件的标准化率和通用性 使制造成本大幅度降低 黏度适应范围很广 可高达10
Pa s
该设备可广泛用于涂料 化工 化妆品及
饮料 食品和医药等行业中悬浮液的均质分散 超声波分散是降低纳米颗粒团聚的有效方法 其作用机理认为与空化作用有关 利用超声空化产生的局部高温 高压或强冲击波和微射流等 可较
大幅度地弱化纳米颗粒间的纳米作用能 有效地防止纳米颗粒团聚而使之充分分散 超声波对化合物的合成 聚合物的降解 颗粒物质的分散具有重要
作用 纳米CrSiZ粒子 平均粒径10nm 加入到丙烯腈苯乙烯共聚物的四氢呋喃溶液中 经超声分散可得到包覆高分子材料的纳米晶体[11] 具有平
均粒度为100nm的BaSO4水悬浮液 在超声分散时 其最大分散作用的超声频率为960～1600
kHZ 粒度增加 其频率相应降低[1Z] Sakka等[1S]研究了Z0kHZ超声频率下2rOZAlZOS浆料的黏度随超声时间的变化 结果表明经过超声作用 浆料黏度明显下降 且超声功率越大 黏度越低 即较大的功率可更有效地破坏颗粒间的团聚
但超声波分散时应避免超声时间过久而导致的过热 因为随着温度的升高 颗粒碰撞的概率也增加 反而会进一步加剧团聚[14] 因此 应选择适
宜的超声分散时间 高能处理法是通过高能粒子作用 在纳米颗粒表面产生活性点 增加表面活性 使其易与其他物
质发生化学反应或附着 对纳米颗粒表面改性而达到易分散的目的 高能粒子包括电晕 紫外光 微
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